质谱的相关知识

MS - 质谱入门了解质谱本入门指南覆盖了现代质谱实践相关的大部分主题，并解答了质谱使用和性能方面的一些常见问题。

文中还提供了便于深入学习相关文章的链接。

第一部门内容讨论谁使用质谱仪的问题，接着讲述化合物在离子源怎样被电离，以便于质谱仪分析。

然后通过对质量准确性和分辨率等重要主题的讨论，或我们怎样区分紧密相关化合物之间的差别，来讲述各种类型的质谱仪。

本指南涉及化学、样品制备和数据处理，以及当今最流行的MS应用中一些专业用语的定义。

谁要使用质谱？在考虑使用质谱仪(MS)之前，应当考虑您分析工作的类型、您预期获得的结果等：- 您分析的是像蛋白质、肽等大分子，还是获取水溶性小分子的数据？- 您在确定的水平寻找目标化合物，还是表征未知样品？- 针对复杂基质，您当前的分离技术抗干扰能力强吗，或者您必须开发新的方法？- 您要求单位质量精度(比如400 MW)，或5 ppm的质量精度(比如，400.0125 MW或质量为400时准确度为2 mDa)？- 您必须每天处理几百个样品？上千个样品？上万个样品？Who Uses MS?图1：表征被测物特征的能力随质谱性能的增加而增强。

化学、生物化学和物理学领域的各学科和分支学科的研究人员和专业技术人员通常会用到质谱分析。

医药工业领域的工作人员在进行药物发现和药物开发时需要利用MS的特异性、动态范围及其灵敏度，区分复杂基质中紧密相关的代谢物，从而鉴定并量化代谢物。

尤其是在药物的开发过程中，药物需要进行鉴定、纯化，确定早期的药代动力学，MS已经证实是不可或缺的工具。

生物化学家扩展了MS的使用领域，将其应用到蛋白、肽和寡核苷酸的分析中。

使用质谱仪，生物化学家们能够监测酶的反应，确定氨基酸序列，并通过包含有蛋白裂解片段衍生物样品数据库鉴别大分子蛋白。

生物化学家通过氢－氘交换在生理条件下形成重要的蛋白-配体的复合物，监测蛋白质的折叠。

临床化学家在药物检测和新生儿筛查中也应用MS，取代结果不确定的免疫分析。

食品安全和环境研究人员也是这样。

他们跟行业中相关的企业工作人员一样，也使用MS，比如：PAH和PCB分析，水质量分析，及食品农药残留分析。

确定油组成是一项复杂且昂贵的工作，这刺激了早期质谱仪的发展，并不断推动该技术的继续创新。

现今，MS的专业人员可以在各种质谱仪、一系列完善可靠的电离技术中进行选择。

什么是质谱？质谱是怎样工作的？质谱仪可以比一枚硬币小，也可以装满非常大的房间。

虽然不同仪器类型有不同的应用，但是其工作原理相同。

测量单位为道尔顿(Da)，代替其它单位，比如原子质量单位(amu)。

1 Da=单个碳12(12C)同位素原子质量的1/12。

以前认为质谱仪不具定量能力，仅能作为定性设备，辅助化合物的鉴定。

但现今，已经证实质谱兼具定性和定量功能。

只有分子转化为气相离子后，质谱仪才能测量其质量。

为了达到这一目的，质谱仪使分子带上电荷，然后将带电离子流转化为数据系统能够识别的成比例电流。

数据系统将这一电流转化为数字信息，得到质谱图。

图2：a)像色谱图形一样，当总离子电流随时间改变时，总离子电流(TIC)的丰度增加。

b)每个峰的数字部分表示此刻的离子，其构成了离子电流，离子电流通常被称为轮廓图或连续采集。

X或‘时间'轴为质荷比(m/z)，在图谱中(比如同位素)能读出相邻离子的分辨率。

c)轮廓图谱通常缩减为‘棒状图，从每个峰的顶点降低质心，形成棒状图，从而减小存放文件的大小，有利于增加分辨信息。

对目标分析物，有很多适合的方式，使其电离成离子：1) 在平面上，激光激发溶解在基质中的化合物，比如基质辅助激光解吸离子化(MALDI)法。

2) 通过与带有能量的离子或电子的相互作用，比如电子轰击离子化(EI)。

3) 自身输送过程的一部分，像我们已熟知的电喷雾电离(ESI)，在此种电离中，从液相色谱流出的洗脱液经高电压作用，从气溶胶中形成离子。

例子按照其质荷比(m/z)，进行分离、检测而得到测量。

将相对离子流(信号)与m/z制图，得到质谱图。

小分子通常仅带单一电荷：因此m/z是质量与1的比值。

"1"表示在离子化过程中增加了一个质子(表示为M+H+，或如果丢失一个质子表示为M-H-)，或如果丢失一个电子形成离子，被称为自由基正离子(M+)。

质谱仪的准确性，或质谱仪怎样测量实际真实的质量，可在本入门指南的后续章节中看到。

较大分子自身结构的多个位点可捕获电荷。

小肽通常能带2个电荷(M+2H+)，而非常大的分子具有多个位点，可使用简单的算法，推断谱图中表示的离子质量。

图3：当准确校正后，低分辨率的质谱仪也可以得到非常准确的质量，但是因为较多的数据挤占了有限的分辨空间，因此不能提供更多的谱图信息。

常见的含有9个氨基酸的Brad ykinin多肽的代谢片段(BK1-5或Arg-Pro-Pro-Gly-Phe)，ACE(血管紧缩素转化酶)用于扩张血管的抑制剂，可携带2个电荷(单个电荷或M+H的单同位素值为573.3149，而双电荷峰，或M+2H为287.1614)。

戴带双电荷的同位素峰，也会挤占有效的分辨空间。

能够分析的分子有多大？解吸电离(如在第22页所述)扩展了分析的能力，可分析分子量大、非挥发性、易碎的分子。

对分子量40,000Da的常规检测，其准确度可达0.01%，(即质量偏差在4Da)允许过程中发生较小变化的测定，比如蛋白质的翻译后修饰。

可带多个电荷扩展了质谱仪的测量范围，可以超越其设计的上限，可检测1000000Da或更大的质量。

同位素和元素的质谱仪天然同位素丰度已清楚的表征。

虽然通常认为丰度比较稳定，但是同位素丰度可能出现显著的特征性改变。

在代谢研究中，应用同位素比例测定（同位素丰富的元素作为示踪剂），在气候研究中，测量温度依赖性氧和碳的变化。

在实际中，使用高准确性的质谱仪，测量前，将复杂分子转化为简单分子化合物，这样转化后的化合物能通过扇形磁质谱仪检测。

元素分析通常针对无机材料，确定元素组成，而不是结构，在一些情况下，可分析固体金属样品。

常见于诱导偶合等离子体(ICP)源，放电器(或较低能量的发光放电)电离样品。

在万亿分之一(ppt)水平使用专用仪器检测较为常见。

常见的电离方法常见的电离方法电子离子化[EI]电子电离(EI)为很多人所熟知。

(在较早的时候称为"电子撞击"，但是从技术上来说不准确。

) EI，通常将样品暴露在70eV的电子下，被称为"硬"技术。

电子与目标分子互作用的能量，通常要比分子的化学键要强的多，因此分子发生电离。

过量的能量按照特定方式打开化学键。

结果产生能够预见的、可鉴别的碎片，通过这些碎片，我们能够推测出分子结构。

这些能量可将单个电子激发，从分子外层逸出，形成正离子自由基，得到丰富的碎片波谱。

不同于"较软"的大气压电离技术，波谱响应会受到离子源设计特征的影响，EI技术完全独立于离子源的设计。

同一化合物在一台EI质谱仪产生的图谱与另一台EI质谱仪得到的图谱非常相似，基于这一原理，可建立图谱库，将未知化合物的谱图与参照谱图比较。

化学电离[CI]分子过度裂解的称为"软"技术。

化学电离(CI)通过一较温和的质子转移过程生成离子，有利于分子离子的生成。

将样品暴露到大量的溶剂气体，如甲烷形成质子化的分子离子(M+H)。

反向过程将形成负离子。

在一些情况下，质子被转移到气体分子上，形成负离子(M-H)。

采用EI分析时，碎片丰富的化合物，有时可采用CI分析，以增加分子离子的丰度。

类似于E I，样品必须具有热稳定性，因为在离子源里，被测物需要加热气化。

对起始电离步骤，CI 的电离机理依赖于EI，但是在离子源里是有高压化学反应气体，比如甲烷、异丁烷或氨。

比被测物(R)的浓度高很多反应气体通过电子电离作用，发生电离，起初产生R+t，溶剂离子。

R+离子与中性R分子发生碰撞，形成稳定的次级离子，其具有反应性，然后通过离子分子反应，使被分析物分子(A)离子化.负离子化学电离[NCI]对含捕获电子基团（例如，氟原子或硝基苄基）的被测物，能形成负离子化学电离(NCI)。

比EI的灵敏度提高了很多倍(据报道，在某种情况下可提高100到1000倍以上)。

NCI广泛应用于各种小分子，这些小分子通过或能够被化学修饰，促进电子捕获。

在负离子中，有两类主要的负离子形成机制：电子捕获和反应物离子化学离子化。

在CI条件下，电负分子能够捕获热电子，产生负离子。

实际上的负离子化学电离，通过被测化合物(AH)与带负电的反应离子(R-或R-)之间反应引起电离。

可能存在几类离子分子反应的类型，最常见的是脱质子反应。

气相色谱[GC]可能对很多人来说，第一次接触质谱是将其作为气相色谱的检测器。

GC/MS联用仪类型的范围已大大扩展，超越早期仪器设计的范围，在使用中满足日渐严格的法规要求，像环境分析、食品安全筛查、代谢组学，以及包括法医学、毒理学和药物筛查的临床应用。

在过去，两种类型的质谱主导着GC/MS分析：扇形磁场和单四极杆质谱仪。

对于前者，可提供高分辨率和准确的质量分析，用于有极高灵敏度要求的分析中。

后者适合目标化合物的常规分析。

[ 液相色谱]扇形磁场质谱仪，具有最具挑战的GC/MS分析能力：环境或工业样品中的二英，或竞技比赛中非法使用兴奋剂的筛查。

在扇形质谱仪上能够以飞克(fg)检测水平进行高分辨率或选择性的分析。

四极杆GC/MS系统推出不久，在目标分析应用中就已取得认可。

美国环境保护局(USEPA)要求对大量环境污染物样品采用四极杆GC/MS质谱仪分析。

因为这些分析应用的检测级别仅在皮克到纳克之间，相对于扇形磁场来说，四级杆磁场的灵敏度较低，但四极杆并没因此受到限制，相反，采用四级杆可大大降低成本，方便使用，并且便于携带。

液相色谱[LC]这是一项革命性的技术，为大约80%不能采用GC分析的化学物质提供了分析途径，在近几十年来促进了质谱技术的显著提高。

少数几个模型被挑出来(参见质谱‘简史'章节中的内容)，开始实现MS与LC联用。

可以说LCMS联用开始于1970年代，在1990年代早期，我们今天所熟知的LCMS技术成熟起来。

很多现在我们使用的装置和技术都直接来自那个时候。

在1900年代早期，俄国植物学家Mikhail S.T swett定义了液相色谱技术。

他的研究工作主要是分离从植物萃取的叶色素，在他的研究中，他用溶剂冲洗装填微粒的柱子。

这是液相色谱最简单的形式，被测物溶解的溶液(流动相或浓缩相)与溶液流过的装填颗粒的床体(固定相)之间存在竞争作用，液相色谱就是依靠这种可预测、不断再现且具有很高精确性的相互作用实现分离。

近年来，在色谱柱中装填各种功能性组分，以及能够准确传送流动相的溶剂输送系统的发展，使得LC成为很多分析行业的支柱。